專利名稱：光電二極管結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光電二極管結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種應(yīng)用于有源像素傳感器的光電二極管結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
有源像素傳感器(active pixel sensor，APS)是一種普遍的固態(tài)圖像感測元件。由于有源像素傳感器包括有互補式金屬氧化物半導(dǎo)體元件，因此又稱為CMOS圖像傳感器，其是利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝制作，具有制作成本低廉以及元件尺寸較小的優(yōu)點，使得CMOS圖像傳感器已有日漸取代電荷耦合裝置(charge-coupled device，CCD)的趨勢。此外，CMOS圖像傳感器還具有高量子效率(quantum efficiency)以及低噪聲(read-out noise)等優(yōu)勢，因此已廣泛應(yīng)用在個人電腦相機(PC camera)以及數(shù)字相機(digital camera)等電子產(chǎn)品上。
一般有源像素傳感器是由多個有源像素感測單元所構(gòu)成，而各有源像素感測單元包括有一用來感測光照強度的光電二極管(photo diode)，以及三個金屬氧化物半導(dǎo)體(metal-oxide semiconductor，MOS)晶體管，分別為當(dāng)作重置元件(reset MOS)的重置晶體管(reset transistor)、當(dāng)作電流汲取元件(current source follower)的電流汲取晶體管以及當(dāng)作列選擇開關(guān)(row selector)的列選擇晶體管(row-select transistor)。其中，光電二極管主要是依照其光感測區(qū)所產(chǎn)生的光電流來處理信號數(shù)據(jù)，例如光感測區(qū)于受光狀態(tài)所產(chǎn)生的漏遺電流(light current)代表信號(signal)，而光感測區(qū)于不受光狀態(tài)所產(chǎn)生的漏遺電流(dark current)則代表噪聲(noise)，因此光電二極管可以利用信號噪聲比(signal/noise)的強弱方式來處理信號數(shù)據(jù)。
請參閱圖1，圖1是現(xiàn)有技術(shù)中光電二極管的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，一光電二極管100設(shè)置于一P型基底102，且P型基底102上又具有一以二氧化硅為材質(zhì)的氧化層104，其中，P型基底102中包括有多個淺溝隔離(shallow trench isolation，STI)106，兩個淺溝隔離106之間具有一光感測區(qū)108和一柵極112、源極/漏極延伸區(qū)114以及源極/漏極116。而光感測區(qū)108包括有摻雜區(qū)118、120，其中，摻雜區(qū)118具有低劑量N摻雜劑，而摻雜區(qū)120具有一高劑量N+摻雜劑，而且通常以砷(As)作為注入摻雜劑(dopant)。而上述摻雜區(qū)118中的N摻雜劑會和P型基底102形成PN結(jié)(junction)，而PN結(jié)又與P型基底102形成一耗盡區(qū)(depletion region)，用以感應(yīng)光電流。
然而，現(xiàn)有技術(shù)中的光電二極管100的光感測區(qū)108的表面的晶格結(jié)構(gòu)，很容易被高劑量的N摻雜劑注入所破壞。再者，在后續(xù)接觸插塞(contactplug)制作的過程中，制作埋藏接觸窗(buried contact，BC)的蝕刻工藝容易破壞摻雜區(qū)120的表面，而且，當(dāng)接觸插塞內(nèi)的鈦(Ti)金屬成分等和基底中的硅作用后，會產(chǎn)生硅化鈦(TiSi)等化合物。以上這些情況都會產(chǎn)生大量的漏電流，使得噪聲變大，使得光電二極管的感光效果下降。
再者，因為現(xiàn)有技術(shù)中的光電二極管100的光感測區(qū)108的PN結(jié)深度較深，所以，當(dāng)光電二極管100受到短波長光(例如藍光)的照射時，會因為短波長光對晶片的穿透深度較淺，進而使得光電二極管100的PN結(jié)對短波長光所能感應(yīng)的光電流偏小，因此造成光電二極管100對短波長光的感光敏感度不佳。
實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種光電二極管結(jié)構(gòu)，以解決上述問題。
本實用新型提供一種光電二極管結(jié)構(gòu)，包括基底、氧化層位于基底表面上、數(shù)個絕緣層位于基底中，摻雜區(qū)位于基底中且被絕緣層圍繞、柵極、多晶硅區(qū)段位于氧化層上方、開口位于多晶硅區(qū)段和氧化層中且深至摻雜區(qū)表面、圖案化多晶硅層位于開口中和部分多晶硅區(qū)段上方，以及源極/漏極位于柵極的一側(cè)。其中，柵極位于摻雜區(qū)的一側(cè)，而多晶硅區(qū)段位于摻雜區(qū)的另一側(cè)。
由于本實用新型制作埋藏接觸窗時，對于多晶硅層和氧化層分別以不同的蝕刻工藝進行蝕刻，所以，基底的摻雜區(qū)表面并不會被破壞。另外，本實用新型是利用摻雜多晶硅作為接觸插塞和導(dǎo)線的材料，所以，接觸插塞中的摻雜多晶硅材料并不會和基底反應(yīng)，不會發(fā)生現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)生硅化鈦的情況，而且形成的導(dǎo)線是摻雜多晶硅所構(gòu)成，所以比金屬透光度高，較不易破壞感光效果。又本實用新型在摻雜區(qū)表面設(shè)置一P型摻雜區(qū)，此P型摻雜區(qū)和N型的摻雜區(qū)即形成一PN結(jié)，此PN結(jié)較接近光感測區(qū)表面，所以本實用新型對短波長光可有較佳的感光敏感度。另外，又因為P型摻雜區(qū)是形成在柵極和導(dǎo)線之間，所以可精確控制P型摻雜區(qū)的大小，因此P型摻雜區(qū)較不易發(fā)生漏電的情況，且P型摻雜區(qū)表面的氧化層也較不易被破壞。再者，本實用新型所完成的光電二極管的摻雜區(qū)中的N摻雜劑，在重置晶體管執(zhí)行重置動作時會消失，以抑制重置時所產(chǎn)生的噪聲，使得信號噪聲比可提高。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中光電二極管的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2至圖5為本實用新型制作光電二極管的一優(yōu)選實施例的方法示意圖；圖6是本實用新型的有源像素感測單元的示意圖。
主要元件符號說明100、602光電二極管102、202 P型基底104、206、404氧化層106、204淺溝隔離108光感測區(qū)112柵極114源極/漏極延伸區(qū)116、510源極/漏極118、120、210摻雜區(qū)208護環(huán)302摻雜劑多晶硅區(qū)段304非摻雜多晶硅區(qū)段402抗反射層406、408開口410摻雜劑多晶硅層502導(dǎo)線504柵極
506 P型摻雜區(qū)508源極/漏極延伸區(qū)600有源像素感測單元604重置晶體管606電流汲取晶體管608列選擇晶體管具體實施方式
請參考圖2至圖5，圖2至圖5為本實用新型制作光電二極管的一優(yōu)選實施例的方法示意圖。如圖2所示，首先提供一P型基底202，接著，形成多個淺溝隔離204于P型基底202中，然后，利用氧化或者沉積工藝，于P型基底202的表面形成一介電層，例如由二氧化硅(SiO2)所構(gòu)成的氧化層206。接下來，利用光刻技術(shù)(photolithography)形成一圖案化的光致抗蝕劑層(未顯示)，并進行一離子注入工藝，形成P型護環(huán)(guard ring，GR)208于淺溝隔離204內(nèi)側(cè)，且P型護環(huán)208比淺溝隔離204的深度深，其具有減少光電二極管發(fā)生漏電流的作用，并可提高信號噪聲比。接下來，去除形成P型護環(huán)208所使用的圖案化光致抗蝕劑層，再利用光刻技術(shù)形成另一圖案化光致抗蝕劑層(未顯示)，并進行另一次離子注入工藝，以形成摻雜區(qū)210，其中摻雜區(qū)210具有低劑量的N摻雜劑，其可利用砷(As)等作為注入摻雜劑(dopant)。然后，去除形成摻雜區(qū)210所使用的圖案化光致抗蝕劑層。當(dāng)然，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所周知，本實用新型也不局限于采用P型基底202，亦可設(shè)置于一具有P型井的硅基底中。
請參考圖3，沉積一層非摻雜多晶硅層(未顯示)于氧化層206表面上，然后，利用光刻技術(shù)形成一圖案化光致抗蝕劑層(未顯示)，并進行一離子注入工藝，將N摻雜劑(未顯示)注入部分的非摻雜多晶硅層(未顯示)中，形成摻雜劑多晶硅區(qū)段302。值得注意的是，其中，位于摻雜區(qū)210上方的部分非摻雜多晶硅層(未顯示)未被N摻雜劑注入，所以形成一非摻雜多晶硅區(qū)段304。
請參考圖4，接著，于摻雜多晶硅區(qū)段302、非摻雜多晶硅區(qū)段304上方依序形成一抗反射層(anti-reflection layer，AR)402及一氧化層404。然后，利用光刻技術(shù)形成一圖案化掩模(未顯示)，例如光致抗蝕劑掩模、氮化物掩模等。接著，蝕刻部分的氧化層404、抗反射層402、摻雜劑多晶硅區(qū)段302、非摻雜多晶硅區(qū)段304及氧化層206，以形成開口406、408以作為埋藏接觸窗，其中開口406暴露出摻雜區(qū)210的表面。值得注意的是，在本優(yōu)選實施例中，形成開口406、408的方法，是利用數(shù)次蝕刻工藝達成，例如可先針對多晶硅材質(zhì)的摻雜多晶硅區(qū)段302、非摻雜多晶硅區(qū)段304進行至少一次干蝕刻工藝，而且以氧化層206作為蝕刻停止層(etching stop1ayer)。接著，再進行一次濕蝕刻(wet etching)工藝以去除圖案化掩模(未顯示)未遮蔽的氧化層206，以形成開口406、408。由于開口406中的非摻雜多晶硅層304和氧化層206是利用不同的蝕刻工藝來蝕刻，所以最后蝕刻氧化層206的濕蝕刻工藝，不但可以藉由適當(dāng)?shù)卣{(diào)整蝕刻選擇比而不會蝕刻P型基底202，而且也不會如等離子體蝕刻(plasma etching)等的干蝕刻工藝傷害到摻雜區(qū)210表面，造成缺陷(defect)而產(chǎn)生漏遺電流。接著，沉積一摻雜多晶硅層410于氧化層404表面，且摻雜多晶硅層410還填入開口406、408中。其中填入開口406、408中的摻雜多晶硅層410可作為接觸插塞(contact plug)使用。
請參閱圖5，接著再利用光刻技術(shù)形成一圖案化光致抗蝕劑層(未顯示)，并對摻雜多晶硅層410進行一蝕刻工藝，且利用氧化層404作為蝕刻停止層，使得被圖案化的摻雜多晶硅層410可作為導(dǎo)線502，以供之后可連接其他元件使用。在去除圖案化光致抗蝕劑層(未顯示)之后，先利用光刻技術(shù)再形成一圖案化光致抗蝕劑層(未顯示)并利用蝕刻工藝去除部分氧化層404和抗反射層402。再利用圖案化的氧化層404和抗反射層402當(dāng)作掩模(未顯示)，對摻雜多晶硅區(qū)段302、非摻雜多晶硅區(qū)段304進行一蝕刻工藝，停止于氧化層206表面，以圖案化摻雜多晶硅區(qū)段302、非摻雜多晶硅區(qū)段304，并利用部分未被蝕刻去除的摻雜多晶硅區(qū)段302形成一柵極504位于摻雜區(qū)210的一側(cè)。同樣地，在本優(yōu)選實施例中，圖案化摻雜多晶硅區(qū)段302、非摻雜多晶硅區(qū)段304的方法可利用濕蝕刻或干蝕刻工藝完成，并以濕蝕刻工藝較佳，且由于停止于氧化層206表面，故可有效避免蝕刻工藝傷害到摻雜區(qū)210表面，造成缺陷而產(chǎn)生漏遺電流。
接著，形成一圖案化光致抗蝕劑層，并進行一離子注入工藝，使得摻雜區(qū)210的表面未被柵極504和導(dǎo)線502遮蔽的部分，形成一P型摻雜區(qū)506。然后，利用不同的圖案化光致抗蝕劑層，分別進行離子注入工藝，以于柵極504不同于摻雜區(qū)210的一側(cè)，形成源極/漏極延伸區(qū)508和源極/漏極510。經(jīng)由上述工藝，即完成本實用新型的光電二極管602，而未被柵極504、導(dǎo)線502和非摻雜多晶硅區(qū)段304所遮蔽的摻雜區(qū)210，即是光感測區(qū)。而光電二極管602可藉由導(dǎo)線502電性連接至其他元件后，進而構(gòu)成一有源像素感測單元。
請參考圖6，圖6是本實用新型的有源像素感測單元的示意圖。有源像素感測單元600即利用上述工藝所制作的光電二極管602作為感測光照度之用。所以，有源像素感測單元600包括一光電二極管602、一重置晶體管604、一電流汲取晶體管606以及一列選擇晶體管608。其中，重置晶體管604的一源極/漏極是電連接于光電二極管602以及電流汲取晶體管606的柵極。在有源像素感測單元600運作時，藉由開啟或關(guān)閉重置晶體管604可重置光電二極管602的電壓，并藉由運算對應(yīng)時間所產(chǎn)生的信號噪聲比，來完成感光及信號處理。值得注意的是，本實用新型所完成的光電二極管的摻雜區(qū)中的N摻雜劑，在重置晶體管604執(zhí)行重置(reset)動作時會消失，以抑制重置時所產(chǎn)生的噪聲，但當(dāng)再一次受到光照后，摻雜區(qū)中的N摻雜劑會再產(chǎn)生。
由于本實用新型制作埋藏接觸窗時，對于多晶硅層和氧化層分別以不同的蝕刻工藝進行蝕刻，所以，基底的摻雜區(qū)表面并不會被破壞。另外，本實用新型是利用摻雜多晶硅作為接觸插塞和導(dǎo)線的材料，所以，接觸插塞中的摻雜多晶硅材料并不會和基底反應(yīng)，不會發(fā)生現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)生硅化鈦的情況，而且形成的導(dǎo)線是摻雜多晶硅所構(gòu)成，所以比金屬透光度高，較不易破壞感光效果。又本實用新型在摻雜區(qū)表面設(shè)置一P型摻雜區(qū)，此P型摻雜區(qū)和N型的摻雜區(qū)即形成一PN結(jié)，此PN結(jié)較接近光感測區(qū)表面，所以本實用新型對短波長光可有較佳的感光敏感度。另外，又因為P型摻雜區(qū)是形成在柵極和導(dǎo)線之間，所以可精確控制P型摻雜區(qū)的大小，因此P型摻雜區(qū)較不易發(fā)生漏電的情況，且P型摻雜區(qū)表面又受到氧化層的保護而較不易被破壞。再者，本實用新型所完成的光電二極管的摻雜區(qū)中的N摻雜劑，在重置晶體管執(zhí)行重置動作時會消失，以抑制重置時所產(chǎn)生的噪聲，使得信號噪聲比可提高。
本實用新型提供一種制作光電二極管的方法，該方法包括提供基底，并且形成多個絕緣層于基底中，接著，形成摻雜區(qū)于基底中，且摻雜區(qū)被絕緣層所圍繞，另外，形成氧化層于基底上，再形成第一多晶硅層于基底上。并形成開口于第一多晶硅層和氧化層中，以暴露出部分摻雜區(qū)的表面，然后，形成第二多晶硅層于第一多晶硅層上方和開口內(nèi)。并且，圖案化第二多晶硅層以形成導(dǎo)線，再圖案化第一多晶硅層，以形成柵極，最后，于柵極的一側(cè)形成源極/漏極。
以上所述僅為本實用新型的優(yōu)選實施例，凡依本實用新型權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本實用新型的涵蓋范圍。
權(quán)利要求1.一種光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括基底；介電層，位于該基底表面上；多個絕緣層，位于該基底中；摻雜區(qū)，位于該基底中，且被該些絕緣層圍繞；柵極，位于該介電層上方，且該柵極位于該摻雜區(qū)的一側(cè)；多晶硅區(qū)段，位于該介電層上方，且該多晶硅區(qū)段位于該摻雜區(qū)的不同于該柵極的另一側(cè)；開口，位于該多晶硅區(qū)段和該介電層中，深至該摻雜區(qū)表面；圖案化多晶硅層，位于該開口中和部分該多晶硅區(qū)段上方；以及源極/漏極，位于該柵極不同于該摻雜區(qū)的一側(cè)的該基底中。
2.如權(quán)利要求1所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該基底是P型基底。
3.如權(quán)利要求2所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該摻雜區(qū)是N型摻雜區(qū)。
4.如權(quán)利要求3所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該光電二極管還包括P型摻雜區(qū)于該摻雜區(qū)的表面。
5.如權(quán)利要求1所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該些絕緣層是淺溝隔離。
6.如權(quán)利要求5所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該些淺溝隔離靠近該摻雜區(qū)的一側(cè)，還包括多個護環(huán)。
7.如權(quán)利要求1所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該柵極包括摻雜多晶硅。
8.如權(quán)利要求1所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該圖案化多晶硅層包括摻雜多晶硅。
9.如權(quán)利要求8所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該開口是埋藏接觸窗。
10.如權(quán)利要求9所述的光電二極管結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第二圖案化多晶硅層位于該開口的部分是接觸插塞。
專利摘要本實用新型提供了一種光電二極管結(jié)構(gòu)，包括基底、氧化層位于基底表面上、數(shù)個絕緣層位于基底中，摻雜區(qū)位于基底中且被絕緣層圍繞、柵極、多晶硅區(qū)段位于氧化層上方、開口位于多晶硅區(qū)段和氧化層中且深至摻雜區(qū)表面、圖案化多晶硅層位于開口中和部分多晶硅區(qū)段上方，以及源極/漏極位于柵極的一側(cè)。其中，柵極位于摻雜區(qū)的一側(cè)，而多晶硅區(qū)段位于摻雜區(qū)的另一側(cè)。
文檔編號H01L27/146GK2906930SQ20062011480
公開日2007年5月30日 申請日期2006年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月29日
發(fā)明者施俊吉, 王銘義, 陳俊伯 申請人:聯(lián)華電子股份有限公司